高变倍比数码变焦镜头设计

    引言

    变焦距系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定,且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。变焦距光学系统可以实现对距离目标的连续探测,已广泛应用于国民经济和国防工业的很多领域,由于光学参数、成像质量及自动化控制变焦的要求,市场难以选择到合适的光学系统满足要求,必须进行专门设计。

    市场上常见的变焦镜头,其变倍比不大,视场也较小[1-3]。这是因为受到成像质量以及加工工艺和加工条件等方面的限制,一般的变焦结构难以实现大视场的连续变化,视场很大时像差难以校正,从而难以保证像面质量。本文主要研究高变倍比数码变焦镜头设计,在设计中将传统球面光学设计与非球面相结合,设计出一焦距6.9 mm～91.6 mm,视场5°～60°的变焦系统,其特点是变倍比高、视场大、结构简单紧凑、成像质量好。

    1　技术要求

    变焦距光学系统的技术指标是:

    视场变化范围:　　5°～60°

    相对孔径: 1/4

    识别距离: 5 000 m

    CCD像面尺寸: 1.27 cm (1/2 in)

    2　变焦距光学系统的设计

    2.1　确定变焦距光学系统的初始解

    光学补偿型变焦镜头虽然结构简单,但是由于各透镜组必须移动到某些特殊的位置,才能得到稳定清晰的像面,其焦距不能连续地变化,而是几个离散值,因而在使用中受到了许多限制。机械补偿型变焦镜头的焦距能够连续地改变,因此得到了迅速的发展和广泛的应用[4]。本文选用机械补偿型变焦系统,其像面稳定度高,可实现大变焦比,像质满足要求。

    两组元机械补偿法变焦距系统设计理想光学系统的计算步骤:

    1)初步选择确定初始参数。选取f1′和f2′,预定出起算位置时的参数B1和B2,在以下的计算中他们都作为已知量。

    2)利用式确定初始位置时的参数B2。

    3)计算出系统在初始状态时的横向放大率。

    4)将系统的变焦范围划分为若干段,选择几个焦距位置进行设计计算。或者将变倍比g=f′*/f′划分成相应的若干段进行设计计算。

    5)利用式计算出共轭距G。

    6)联立

    将第4)步确定的变倍比g和第(5)步算出的共轭距G代入,求出B*1和B*2。

    7)利用式算出第1个透镜组元的移动量t1。

    8)利用式算出第2个透镜组元的移动量t2。

    9)采用下一个变倍比g,再做第6)步到第8)步的计算,直至算完所有变倍比的情况,并画出2个透镜组元的变倍及补偿曲线进行分析。上式中,f1′、B1分别为第1个透镜组元的焦距和初始状态时的横向放大率;f2′、B2分别为第2个透镜组元的焦距和初始状态的横向放大率;d12为第1个透镜组元像方主面至第2个透镜组元物方主面间的间隔;G为整个变焦系统的共轭距。